某50 m近海運輸船船機槳匹配分析

劉丹丹，仉永超，史艷軍

（1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000；2.濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108）

近海運輸船航行區域為沿海，常會遇到風浪，船機槳匹配不當可能會造成安全問題。本文根據船體型線圖，進行船體三維建模；使用Star-CCM+軟件，仿真計算船體阻力，并使用NavCad 軟件對船機槳匹配情況進行校核；在新船試航階段測試軸功，分析測試數據與理論計算吻合度，為近海運輸船的船機槳匹配提供參考。

1 船機槳匹配

船舶線型設計完成、船體主要參數確定后，就可以對船舶阻力進行預報。常見的船舶阻力計算方法可分為經驗公式法和船模試驗法。經驗公式法是使用計算公式計算得到船體阻力，并在總結、分析大量的船模試驗或實船試驗基礎上得到的，計算結果的準確性很大程度上依賴于設計人員對母型船的選取。船模試驗是船舶性能研究最普遍和有效的方法[1]。將實船按一定的縮尺比制作成幾何相似的船模，在滿足弗勞德數相等的條件下，在船池中拖曳以測得船模阻力和速度之間的關系。船模試驗得到的船體阻力結果比較準確，但費用較高。

接下來進行螺旋槳的設計。一般而言，螺旋槳的設計問題可以歸結為2類：一類是要求設計效率最佳的螺旋槳，能滿足航速要求，又可以使選取的主機功率最小；另一類是船體和主機已定，要求設計螺旋槳，保證最高航速能滿足設計任務書的要求[1]。

船機槳匹配校核是船舶螺旋槳設計的逆向過程，可運用已形成的設計方案，通過航行特征或系泊特征計算，得出船機槳匹配的合理性[2]。系泊特征校核，通過計算系泊狀態下的主機最大轉速，初步評估主機和螺旋槳匹配情況是否合理，同時計算船舶的系柱拖力。航行特征校核，通過計算不同主機轉速、不同航速時需要的主機功率，可以進一步判斷船舶與機槳匹配是否合理。

常見的螺旋槳匹配誤區有2 種：螺旋槳匹配過重和過輕。如果螺旋槳完全吸收主機的轉矩，但主機轉速未達到額定轉速，導致螺旋槳不能完全吸收主機的轉速，這種情況稱為螺旋槳匹配過重；如果主機轉速已經達到額定值，但螺旋槳吸收的主機功率遠小于額定功率，這種情況稱為螺旋槳匹配過輕。無論過重或過輕都將導致螺旋槳不能完全吸收主機的動力，船舶航速達不到設計航速，船舶經濟性也會受到影響[3]。

近海運輸船工況比較單一，分為進出港工況和自由航行工況。進出港工況時，船舶航速較低，頻繁脫合排，此時發動機轉速偏低，柴油機運行在推進特性曲線附近，但不應超過外特曲線。自由航行工況時，船舶航速較高，以設計航速前行，此時發動機轉速較高，在額定轉速附近，主機功率略有儲備，以應對海上惡劣天氣。自由航行工況占整個工況的90%以上，船機槳匹配時常選取自由航行工況進行匹配[3]。

2 某50 m近海運輸船概況

某50 m近海運輸船（以下簡稱某船）用于為海洋牧場運輸飼料、提供設備，在榮成近海區域航行、作業。船長50 m，總質量1 262 t，凈質量703 t，水面以上最大高度16.8 m。某船參數見表1。

表1 某船參數

該船主機功率809 kW，采用單機單槳推進形式，其推進系統參數見表2。

表2 某船推進系統參數

3 船機槳匹配情況分析

3.1 船舶阻力計算

在使用Star-CCM+軟件對船體阻力進行流體動力學仿真分析前，要先根據船體型線圖，進行三維建模。為提高仿真計算效率，本案例采用λ=7的縮尺比將模型進行縮放，得到船模三維。

計算域中的網格類型為切割體網格，對船體近域與自由面附近進行加密，計算域網格總數為200萬左右，計算域網格場景如圖1所示。

圖1 計算域網格場景

使用Realized k-Epsilon 湍流模型，合理劃分邊界層附近的網格以保證Wall Y+值在30～300 范圍內。船體表面的Y+值分布圖如圖2所示。

圖2 船體表面Y+值分布圖

對自由面網格局部加密使自由面處波系傳播，開爾文波角等波形細節得到很好的捕捉，圖3為實船航速為10 kn時計算域興波場景。

采用二因次換算法對數值計算結果進行換算，得到船體阻力曲線，船體阻力曲線如圖4所示。

圖4 船體阻力曲線

3.2 系泊特征校核

該近海運輸船采用MAU4-55 標準槳，為了解主機與螺旋槳的匹配情況，以100%等轉矩線為限值，進行系泊特征校核。通過計算不同轉速下的主機功率，并求得與等轉矩線的交點，得到主機系泊時的轉速，將其與額定轉速做對比，從而評估柴油機和螺旋槳匹配合理性。系泊特征校核曲線圖如圖5所示。

圖5 系泊特征校核曲線圖

由計算結果可知，在系泊工況下，主機轉速最大為1 280 r/min，為額定轉速的85.3%，基本滿足系泊轉速為80%～85%額定轉速的要求[4]，主機和螺旋槳匹配合理。

3.3 航行特征校核

本案例使用NavCad 軟件，對滿載狀態船舶的自由航行特征進行校核，得到不同航速下需要的主機功率-轉速曲線，并將其與主機功率-轉速曲線進行對比，評估船機槳匹配合理性。航行特征校核曲線如圖6所示。

圖6 航行特征校核曲線

滿載自由航行時，主機轉速能達到額定轉速1 500 r/min，此時船舶航速10.6 kn，所需主機功率765 kW，功率儲備5.4%，基本滿足要求。

3.4 實船測試

為驗證上述校核結果，在試航階段，對該船進行實船跟蹤測試。試航時少量壓載，滑油艙、燃油艙均為空，艏吃水約2.4 m，舯吃水約2.8 m。

航行路線為從大黑石出發，前往養魚池灣區域，全程約12 km，在養魚池灣完成試航后，又返回大黑石。自由航行工況曲線圖如圖7所示。

圖7 自由航行工況曲線圖

由圖7知，自由航行工況，主機轉速1 050 r/min時，主機功率約250 kW，主機轉速1 350 r/min 時，主機功率約533 kW，經計算可得到主機轉速1 500 r/min 時，主機功率為729 kW，即額定轉速下，功率儲備9.9%。

試航過程中，主機轉速和航速見表3。

表3 主機轉速與航速

由于試航狀態為少量壓載，而設計校核為滿載吃水，為保證狀態一致，還需計算試航狀態時的船舶阻力曲線，部分壓載時該船阻力曲線見圖8，并進行部分壓載狀態時航行特征校核見圖9。

圖8 部分壓載時該船阻力曲線

圖9 部分壓載狀態時航行特征校核

由圖8可知，部分壓載自由航行時，主機轉速1 500 r/min，航速11.5 kn，所需主機功率733 kW，功率儲備9.4%，與試航實測轉速1 450 r/min、航速11.3 kn基本吻合。

此外，還對怠速合排工況進行數據采集，怠速合排工況曲線圖見圖10。

圖10 怠速合排工況曲線圖

主機怠速合排沖擊轉矩2 286 N·m，為額定轉矩的44.3%，主機轉速恢復時間約10 s。

4 結束語

本文基于Star-CCM+、NavCad 軟件，對現有的船機槳進行匹配校核，并通過實船測試驗證計算的準確性，得到如下結果。

1）根據系泊特征校核和滿載航行特征校核結果，該50 m 近海運輸船船機槳匹配基本合理。但考慮到近海區域惡劣天氣以及船體積污等影響，建議近海運輸船以主機額定轉速時，儲備10%～15%的主機功率為螺旋槳的設計工況點。

2）部分壓載狀態下，實船測試結果與理論計算結果基本一致。

3）受當時條件所限，未能驗證滿載狀態時的船機槳匹配情況。建議新船試航時，以滿載狀態或船舶運營狀態進行試航。